二维过渡金属硫化物摩擦和临界剪切应力各向异性研究

作     者：廖俊源 

作者单位：湘潭大学 

学位级别：硕士

导师姓名：郑学军

授予年度：2020年

学科分类：08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 

主      题：过渡金属硫化物 原子力显微镜 摩擦各向异性 临界剪切应力 晶格取向 

摘      要：弱的范德华力存在于过渡金属硫化物(TDMs)的层状结构,导致各层之间存在较弱的抗剪切强度,因此具有极好的摩擦特性,过渡金属硫化物已广泛应用在微机电系统的表面润滑、传感器件和能源器件当中。摩擦各向异性对于二维材料作为固体润滑剂调控微机电系统的摩擦性能有重要意义。目前对二维材料摩擦各向异性研究比较多,但是摩擦各向异性周期性各向异性周期性的机理存在争议。本文基于先进原子力显微镜技术,对TDMs摩擦和临界剪切应力各向异性展开研究。1、通过化学气相沉积法(CVD)法制备MoSe纳米片,并对MoSe纳米片进行了AFM形貌和拉曼表征。测量了MoSe纳米片在不同法向力下的摩擦力和临界剪切应力随旋转角度的变化情况,在不同法向力下的摩擦力和临界剪切应力各向异性周期性都为60°。MoSe纳米片纳米摩擦的周期性与二维材料蜂窝晶格周期性相同,临界剪切应力各向异性规律表现出与摩擦性能变化的一致性。2、通过旋转样品,使用AFM的原子像模块获得了旋转角度为0°、15°和30°时MoSe纳米片原子像和摩擦力轮廓曲线。基于二维PT模型模拟针尖沿MoSe表面晶格取向的粘滑行为,得到原子尺度图像的摩擦轮廓力曲线。模拟的摩擦力图案轮廓与实验结果吻合良好。沿着armchair取向的MoSe纳米片摩擦力和临界剪切应力比沿着zigzag方向的大,通过模拟方法验证了晶格取向对MoSe纳米片表面摩擦的影响。结果表明该模型能较好地解释MoSe纳米片表面原子级摩擦力分布规律。3、通过机械剥离法制备了MoS纳米片,并对MoS纳米片进行了AFM形貌、拉曼和XRD成分表征,测量了MoS纳米片在不同法向力下的摩擦力和临界剪切应力随旋转角度的变化情况。MoS纳米片摩擦力和临界剪切应力各向异性表现出180°周期性,纳米摩擦的周期性与褶皱效应导致的石墨烯摩擦各向异性周期性相同。摩擦各向异性是由MoS纳米片表面波纹的形成引起的,褶皱效应可以解释MoS纳米片摩擦力和临界剪切应力各向异性的180°周期性规律。